国内抽水蓄能电站水锤计算与实测分析

韩 标，王 珏，张 毅，胡志博，刘 伟，马 嵬

（1.国网新源控股有限公司北京十三陵蓄能电厂，北京市 102200；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

0 引言

自20世纪60年代第一台抽水蓄能机组在岗南水电厂投运以来，我国抽水蓄能行业已有50年的发展历史。在此过程中，我国抽水蓄能从零装机到装机容量排名世界第三，从技术零储备发展到完全实现设计制造安装调试自主化，取得了令人瞩目的成绩。截止到2014年底，我国已投产抽水蓄能电站28座，总装机容量2154万kW，在建抽水蓄能电站17座，总装机容量2144万kW。

我国抽水蓄能电站装机容量的稳步增加，为抽水蓄能电站设计建设管理积累了大量经验，也使我国抽水蓄能各项水平取得长足的进步。然而抽水蓄能行业内仍存在一些技术问题亟待解决，抽水蓄能电站甩负荷水锤压力预测和转速预测便是其中比较重要的一个。

为了追求较好的经济效益，抽水蓄能电站往往具有较高水头和较大转速，目前在建的绩溪、敦化抽水蓄能电站水头超过600m，洪屏、清远电站水头也都超过500m。高水头电站蜗壳内的初始稳态压力大，机组甩负荷时压力和转速会剧烈上升，可能危及机组安全。在机组负荷试验以前进行水锤压力和转速预测分析，并采取相应措施，对机组甩负荷试验通过考核具有重要意义。

本文对国家电网管理区域内的10个抽水蓄能电站的水锤计算报告进行了研究分析，并收集了这10个电站甩负荷试验实测结果，对比实测数据总结一些规律。

1 电站甩负荷试验

《水轮发电机组启动试验规程》（DL/T 507—2002）要求水电站（包括抽水蓄能电站）启动及调试过程中必须进行水轮发电机组甩负荷试验，以考验机组在最恶劣的工况下的运转能力。甩负荷试验作为调试试验中最重要的一个环节（见表1），是机组正式投入商业运行前必须经过的一次考验，也是电站建设管理者十分关注的一次试验。

在进行水锤计算分析时，甩负荷试验结果是非常重要的数据，因为甩负荷试验数据是对电站设计经济性合理性的校验，将甩负荷试验数据和合同规定的机组承受极限值对比（见表2），可以得到电站在极限情况下的安全裕度。一个合适的安全裕度是体现电站调节保证设计水平的重要表现。

2 电站水锤计算

一般情况下，电站在开展甩负荷试验以前均会进行过渡过程计算，以分析电站机组甩负荷工况下的蜗壳及水道压力上升、机组转速上升情况，以做好应对措施防止危及电站安全的情况发生。

表1 抽水蓄能电站现场双机甩负荷试验结果Table 1 Results of double unit load rejection field test for Pumped Storage Power Station

表2 抽水蓄能电站机组厂家合同规定机组极限值Table 2 Limit values from the contracts of Pumped-Storage units manufacturer

采用计算机程序进行水电站水锤计算开始于20世纪40年代。美国流体力学专家怀利和斯特里特于1967年发表《瞬变流》[1]，这本著作介绍了各种水力机械过渡过程的求解理论与模式并给出了计算机求解方法，使水电站过渡过程的计算机计算快速发展。20世纪80年代以来，在《瞬变流》的成果基础上，国内水电站水锤计算研究取得快速进展。众多科研单位均完成了过渡过程计算软件的编制，并广泛应用于工程实际中。

电站的水锤计算涉及水力、机械、电气三个系统，三个系统相互影响模型复杂。在建模过程中，需要对很多情况进行了近似处理，如对一元非恒定管道流动方程中摩阻项的简化，对电站各边界条件的简化处理。尽管过渡过程计算模型被广泛应用并已证实，近似处理而产生的实际与计算偏差到目前尚无法准确估计，如何对计算结果进行修正也尚无定论。

水电站水锤计算对水轮机边界条件的处理，目前国内较为流行的方法是采用水轮机静特性曲线计算水轮机甩负荷动态特性[2]，但是试验证明非恒定状态下水力机械的特性与静特性是有差别的，但是仍缺乏相关理论进行差别分析。而且目前的过渡过程计算过程忽略了尾水管和蜗壳不稳定工况水流惯性的影响，这对机组转速计算也是有影响的。与常规水电站相比，抽水蓄能电站水头高，过渡过程特性复杂，甩负荷时压力脉动显著，采用上述简化处理方法可能会使计算结果部分偏离现场试验结果。

本文为了研究抽水蓄能电站水锤计算的准确性，收集了上述10座电站的水锤计算报告和甩负荷试验实测结果。图1～图2中从对比分析中，验证在目前抽水蓄能电站模型下计算的准确性，并总结规律。调保计算报告中，有部分计算工况和甩负荷试验工况水位有一点偏差，但偏差较小，不影响结果对比。

蜗壳最大压力上升偏差图如图1所示（其中百分比的计算以试验值为基准）：

从上述结果对比可以发现，无论是机组蜗壳最大压力还是电站甩负荷试验转速上升，计算值已十分接近试验值，尤其是转速上升值，其偏差率基本接近2%。总体来说，过渡过程仿真计算已经能够较好地预测真机甩负荷试验结果，对甩负荷试验具有重要的指导意义。

其次，机组蜗壳最大压力计算值普遍小于试验值（西龙池电站实际测试值略小于计算值），主要是由于过渡过程计算中未能考虑压力脉动值，详细分析见下节。转速上升对比情况可以发现，计算值略大于试验测量值。

表3 抽水蓄能电站调节保证计算结果Table 3 Results of transient calculation of Pumped Storage Power Stations

图1 各电站调保计算与甩负荷试验最大蜗壳压力结果对比Figure 1 Comparison of maximum volute pressure in transient calculation and load rejection test in several PSP Stations

图2 各电站调保计算与甩负荷试验最大转速上升结果对比Figure 2 Comparison of maximum speed in transient calculation and load rejection test in several PSP Stations

3 对比分析

下面以某电站的过渡过程曲线为例分析实测值与计算值产生偏差的原因。

从蜗壳进口压力过渡过程对比曲线可以发现，在甩负荷后的前10s，蜗壳和尾水管内的压力脉动较为剧烈，某些情况蜗壳最大脉动幅度达到150m压力水头。在该时段导叶虽然没有动作（本电站导叶采用延时关闭的规律），但是由于抽水蓄能机组转轮的截流效应，转速持续上升导致过机流量下降，进而造成蜗壳内的水锤压力显著上升（见图3、图4）。

本文提到，过渡过程计算采用的机组边界条件是对水泵水轮机静态特性曲线进行插值计算，决定了采用这种方法无法计算出蜗壳及尾水管内的压力脉动。而电站在进行甩负荷试验时，采用的蜗壳最大压力通常是仪器记录的最大值，即考虑压力脉动的蜗壳最大压力。因此，出现了上节中的蜗壳最大压力计算值普遍低于试验值的现象。

图3 某抽水蓄能电站蜗壳进口压力过渡过程实测曲线与计算曲线对比图Figure 3 Comparison of measured and calculated transients curves of volute inlet pressure of a pumped storage power station

图4 某抽水蓄能电站尾水管进口压力过渡过程实测曲线与计算曲线对比图Figure 4 Comparison of measured and calculated transients curves of draft tube outlet pressure of a pumped storage power station

基于目前的研究成果，为了更好地预测蜗壳与尾水管最大压力，一般需要对计算结果进行压力脉动修正，修正方法仍待下一步深入研究。

从转速过渡过程分析，转速变化连续性较好，采用静态特性已能够较好地预测机组实际变化过程。从上节统计结果来看，转速计算值普遍大于实测值。

水泵水轮机发电机组的运动方程式[3]如下：

式中 Mt——水泵水轮机发电机组主动力矩；

Mg——水泵水轮机发电机组阻抗力矩；

J——机组转动惯量；

ω——机组转动角速度。

机组甩负荷过程，机组转动力矩Mt通过特性曲线计算求得，机组阻抗力矩Mg为零，机组转动惯量J为水轮机和发电机转动惯量之和。但是在计算过程中，忽略了转轮及部分尾水管区域内流体对转动的影响[4]，即计算中用的转动惯量小于真实的转动惯量。因此，计算所得转速上升最大值一般会小于实际值，各电站甩负荷试验结果也验证了这一点。通过上节的实测数据也反映出，在过渡过程计算过程中一般无须对转速进行修正。

4 结束语

通过多个电站的试验数据与过渡过程计算结果对比，可以得到如下结论：

（1）大规模电站建设证明，抽水蓄能电站水锤计算与实测结果符合较好，水锤计算对抽水蓄能电站设计、实施及试验具有重要意义。

（2）蜗壳进口压力结果对比显示，计算结果一般小于试验结果，偏差主要是由于计算过程未考虑蜗壳内压力脉动而引起的。转速结果对比显示，过渡过程计算值一般略大于试验值，偏差原因可归因于计算过程中未考虑转轮及部分尾水管区域内流体对转动的影响。因此，从统计数据的角度考虑，抽水蓄能电站水锤计算中，往往需要对蜗壳最大压力和尾水管进口最小压力进行修正，转速最大值不需要修正。

（3）从过渡过程试验录波曲线来看，甩负荷过程中压力脉动的周期非常短，在0.01～0.02s。虽然在蜗壳内压力瞬间突增，但是短时间的高压对机组造成破坏的程度，仍然未有定论。压力脉动对过渡过程计算结果的影响仍待进一步深入研究。